ANA KATHERINE RODRÍGUEZ MANRIQUE
DIRETRIZES PARA A SUSTENTABILIDADE DE UMA MINIRREDE
DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS EM UMA REGIÃO
ISOLADA DA COLÔMBIA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CURITIBA 2015
DIRETRIZES PARA A SUSTENTABILIDADE DE UMA MINIRREDE DE
SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS EM UMA REGIÃO
ISOLADA DA COLÔMBIA
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – PPGEC – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná –
UTFPR. Área de Concentração:
Sustentabilidade.
Orientador: Prof. Dr. Eloy Fassi Casagrande Junior
Coorientador: Prof. Dr. Jair Urbanetz Junior
CURITIBA 2015
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
M285d Manrique, Ana Katherine Rodríguez
2015 Diretrizes para a sustentabilidade de uma minirrede de sistemas solares fotovoltaicos em uma região isolada da Colômbia / Ana Katherine Rodrígues Manrique.-- 2015. xv, 142 f.: il.; 30 cm
Texto em português, com resumo em inglês e espanhol. Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Curitiba, 2015.
Bibliografia: f. 114-120.
1. Energia - Fontes alternativas - Colômbia. 2. Geração de energia fotovoltaica. 3. Energia solar. 4. Comunidades - Desenvolvimento - Colômbia. 5. Desenvolvimento sustentável. 6. Desenvolvimento econômico - Aspectos sociais. 7.
Construção sustentável. 8. Eletrificação rural. 9. Energia - Consumo. 10. Engenharia civil - Dissertações. I. Casagrande Júnior, Eloy Fassi, orient. II. Urbanetz Junior, Jair, coorient. III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil. IV. Título.
CDD 22 -- 624 Biblioteca Central da UTFPR, Câmpus Curitiba
AGRADECIMENTOS
Primeiramente quero agradecer ao Prof. Eloy Casagrande Junior por depositar a sua confiança em mim e me receber em Curitiba, cidade que era desconhecida para mim. Fico muito agradecida pelas suas orientações e sugestões, que formaram o caminho para alcançar o objetivo desta pesquisa.
Agradeço ao meu co-orientador o Prof. Jair Urbanetz Junior por compartilhar os seus conhecimentos e experiência profissional comigo. Assim como também agradeço os aportes científicos a esta pesquisa, por parte do corpo docente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal de Paraná (UTFPR).
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro.
Aos meus colegas do mestrado e do Escritório Verde pela amizade, pelos seus conselhos e bons momentos.
Ao Jan Kleyn da empresa Energia e Movilidad da Colômbia, á Prefeitura de Inírida, á Empresa De Energia de Guainia, IPSE, UPME e demais órgãos e instituições colombianas que me apoiaram no desenvolvimento desta pesquisa.
A minha família, especialmente aos meus pais, pelo apoio incondicional, pela confiança que sempre colocam em mim e por estarem sempre presentes em cada um dos meus desafios. E por último, nem por isso menos importante, agradeço ao Camilo pelo seu apoio, amor e compreensão.
RESUMO
MANRIQUE, Ana Katherine Rodríguez. Diretrizes para a sustentabilidade de uma minirrede de sistemas solares fotovoltaicos em uma região isolada da Colômbia. 2015. 142f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal de Paraná. Curitiba, 2015.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um estudo técnico social para definir as diretrizes que garantam a sustentabilidade de uma minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos, localizados nas Zonas Não Interconectadas (ZNI) da Colômbia. A literatura da pesquisa está baseada na importância da energia elétrica e das construções sustentáveis para o homem e nos princípios de energia solar e de minirredes baseadas em sistemas solares fotovoltaicos. Após este levantamento, aplicou-se o método de pesquisa documental para contextualizar o leitor com os aspectos mais importantes sobre a Colômbia e sua realidade hoje. A partir destes aspectos foi possível concentrar a pesquisa em uma região, selecionada a partir de critérios de recurso solar disponível, economia, segurança, saúde e educação. Uma vez escolhida a região, foi feita uma pesquisa de campo em que foram entrevistados os agentes que podem influenciar no funcionamento de uma minirrede. Também foram observados os aspectos técnicos relacionados com as construções e a eficiência energética desta região, constatando que a mesma já contou, em alguma ocasião, com sistemas solares fotovoltaicos, mas estes foram vendidos pela própria comunidade por não encontrarem utilidade nenhuma neles. A partir das respostas encontradas nas entrevistas foi feita uma proposta de gestão da minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos. Concluiu-se que é primordial que os agentes técnicos e administrativos do sistema como um todo tenham contato contínuo com o usuário para entender as suas necessidades e conseguir satisfazê-las com a instalação da minirrede. Também se observou que é importante criar no usuário um sentido de posse pela minirrede, identificando os benefícios educativos, de saúde e econômicos que esta nova tecnologia traz para ele. Este estudo abre as portas para novas pesquisas de avaliação e descrição das diretrizes propostas.
Palavras chave: Energia - Fontes alternativas - Colômbia. Geração de energia fotovoltaica. Energia solar. Comunidades - Desenvolvimento - Colômbia. Desenvolvimento sustentável.
ABSTRACT
MANRIQUE, Ana Katherine Rodríguez. Guidelines for the Sustainability of a Photovoltaic Solar Mini-grid System in a Colombian Isolated Area. 2015. 142p. Dissertation (MSc. in Civil Engineering) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal de Paraná. Curitiba, 2015. This research presents the development of a social-technical study to define guidelines to ensure the sustainability of a mini-grid based on solar photovoltaic systems located in Non Interconnected Areas (NIA) of Colombia. The literature of this research is based on the importance of energy and sustainable buildings to people, the principles of solar PV, and mini-grid based on solar photovoltaic systems. After this firt part, was applied the method of documentary research to contextualize the reader with the main relevant aspects of Colombia related to the research. From these aspects, it was possible to focus the research to a region, which was chosen by criterias such as: solar resource, economy, security, health and education. When the area was chosen, it was made a field survey. In this survey the agents that influence the operation of a mini network were interviwed. Also, it was observed the technical aspects of buildings, and the energy efficiency in this region. As a result it was observed that in the past there were PV solar systems, but these were sold by the community because they did not find them useful. From the interview answers, it was made a proposal about the management of the mini-grid based on solar photovoltaic systems. In conclusion, it is essential that the technical and administrative agents that make part of this system have continuous contact with the user to understand their needs and satisfy them with the installation of mini-grid. It is also important to create a sense of belonging from the user to the mini-grid, identifying the benefits, educational, health and economic that this new technology brings to him. This study opens the door to new research about evaluations and descriptions about the proposed guidelines.
Key words: Energy – Alternative Sources - Colombia. PV Generation. Solar Energy. Comunities – Development – Colombia. Sustainable Development.
RESUMEN
MANRIQUE, Ana Katherine Rodríguez. Directrices para la sostenibilidad de uma mini red de sistemas solares fotovoltaicos em uma región aislada de Colombia. 2015. 142f. Tesis (Maestría em Ingenieria Civil) – Programa de Pos-Graduación en Ingenieria Civil, Universidad Tecnologica Federal de Paraná. Curitiba, 2015.
Este trabajo presenta el desarrollo de un estudio técnico social para definir los parâmetros que garanticen la sostenibilidad de uma mini-red basada em sistemas solares fotovoltaicos ubicados em las Zonas no Interconectadas (ZNI) de Colombia. La literatura de esta investigación, está basada en la importância de la energia eléctrica y de las construcciones sostenibles para el hombre, en los princípios de energia solar fotovoltaica y en los princípios de mini-redes basadas em sistemas solares fotovoltaicos. Despues de este levantamiento, se aplicó el método de investigación documental para contextualizar al lector con los principales aspectos relevantes de Colombia relacionados con la investigación. A partir de estos aspectos fue posible focalizar la investigación en una región, la cual fue escogida a partir de los siguientes criterios: recurso solar disponible, enconomia, seguridad, salud y educación. Una vez la región fue escogida, fue realizada una investigación de campo en la que fueron entrevistados los agentes que influenciarán en el funcionamiento de una mini-red. Tambien fueron observados los aspectos técnicos relacionados con las construcciones y eficiencia energética de esta región. En esta investigación se encontró que la región escogida yá contó en alguna ocasión con sistemas solares fotovoltaicos pero estos fueron vendidos por la propia comunidad porque no encontraron ninguna utilidad en los mismos. A partir de las respuestas encontradas en las entrevistas, fue realizada una propuesta de gestiónde la mini-red basada en sistemas solares fotovoltaicos. Como conclusión se obtuvo que es primordial que los agentes técnicos y administrativos del sistema tengan contacto contínuo con el usuario para entender sus necesidades y conseguir satisfazerlas con la instalación de la mini-red. También es importante que el usuario tenga sentido de pertenencia por la mini-red, identificando los beneficios educativos, de salud e económicos, que le trae esta nueva tecnología. Este estudio le abre las puertas a nuevas investigaciones de evaluación y descripción sobre las directrices propuestas. Palabras clave: Energia – Fuentes Alternativas – Colombia. Generación fotovoltaica. Energia solar. Comunidades – Desarrollo – Colombia. Desarrollo sostenible.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Sistema da pesquisa. ... 5
Figura 2 - Hierarquia das necessidades básicas humanas. ... 11
Figura 3 - Componentes da pobreza e suas conexões. ... 12
Figura 4 – Cobertura elétrica e PIB das regiões Norte e Nordeste do Brasil do ano 2001 a 2011. ... 14
Figura 5 – Mapa de América Latina com os cinco países que representam 72% da população total. ... 14
Figura 6 – Uso da eletricidade por setor e por unidade de PIB na América Latina desde 1990 até 2008. ... 16
Figura 7 – Porcentagem total de famílias por país sem um teto para morar ou que moram em moradias de má qualidade. ... 18
Figura 8 – Dimensões da sustentabilidade e suas variáveis. ... 20
Figura 9 – Célula de silício monocristalino. ... 22
Figura 10 – Célula de silício policristalino. ... 23
Figura 11 – Módulo de filme fino flexível ... 23
Figura 12 – Diagrama da configuração de um sistema solar fotovoltaico isolado. .... 26
Figura 13 – Curva caraterística I-V de corrente e tensão de um módulo fotovoltaico. ... 27
Figura 14 - (a) Variação da Tensão de circuito aberto e da Corrente de curto circuito quando a temperatura varia. (b) Variação da Tensão de circuito aberto e da Corrente de curto circuito quando a irradiância varia. ... 27
Figura 15 – Controlador ou regulador de carga. ... 28
Figura 16 – Onda quadrada e ondas senoidais modificada e pura. ... 31
Figura 17 – Exemplo de SFVHM ... 34
Figura 18 – Minirrede instalada em Guaraqueçaba- Paraná, Brasil. ... 38
Figura 19 – Divisão político-administrativa da Colômbia. ... 39
Figura 20 – Taxa de crescimento do PIB na Colômbia ... 40
Figura 21 – Divisão regional de grupos nas ZNI. ... 43
Figura 22 – Mapa geográfico da Colômbia... 48
Figura 23 – Mapa das regiões da Colômbia. ... 49
Figura 24 – Casa rural em Betulia (Município de Córdoba). ... 50
Figura 26 – Habitações mais comuns no pacífico colombiano. ... 51
Figura 27 – Casa localizada entre Neira e Aranzazu (municípios do departamento de Caldas). ... 52
Figura 28 – Habitação de uma região rural de Nariño. ... 52
Figura 29 – Caney na região da Orinoquia ... 53
Figura 30 – Habitação em Puerto Inírida (Capital do departamento de Guainia). ... 53
Figura 31 – Diagrama de conexões da minirrede de Titumate ... 58
Figura 32- Departamentos que contém ZNI. ... 62
Figura 33- Demarcação do departamento Meta no mapa da NREL. ... 64
Figura 34 – Divisão política do departamento de Guainia. ... 71
Figura 35 – Esquema simplificado para determinação da capacidade do banco de baterias. ... 79
Figura 36 – Localização geográfica das comunidades entrevistadas. ... 81
Figura 37 – Módulo solar fotovoltaico na Comunidade La Ceiba. ... 82
Figura 38 – Líder comunitário da comunidade La Ceiba enquanto era entrevistado. 83 Figura 39 – Líder comunitário da comunidade Almidón apresentado um peixe ornamental. ... 83
Figura 40 – Ralador de mandioca. ... 84
Figura 41 – Processo de filtração de mandioca. ... 84
Figura 42 – Levantamento de problemas sociais, econômicos, ambientais, institucionais e indígenas em Inírida pela empresa ALISOS. ... 85
Figura 43 – Água misturada com mañoco. ... 86
Figura 44 – Escola localizada em Caranacoa. ... 87
Figura 45 – Exemplo de uma construção em andamento na comunidade La Ceiba. 88 Figura 46 – Eletodoméstidos utilizados em uma das residências da comunidade La Ceiba ... 89
Figura 47 – Sistema fotovoltaico instalado em uma comunidade de Inírida. ... 90
Figura 48 – Componentes de um sistema fotovoltaico isolado instalado em uma comunidade de Inírida. ... 91
Figura 49 – Restos de baterias de um sistema fotovoltaico isolado na comunidade de Caranacoa. ... 92
Figura 50 – Restos de quadros de controle de um sistema fotovoltaico isolado na comunidade de Caranacoa. ... 92
Figura 52 – Localização da comunidade La Ceiba e o ponto mais próximo registrado na base de dados do projeto SWERA. ... 99 Figura 53 – Irradiações no plano horizontal cadastradas na nova estação La Ceiba. ... 99 Figura 54 – Configuração da minirrede ... 103 Figura 55 – Unifilar minirrede fotovoltaica da comunidade La Ceiba. ... 106 Figura 56 – Localização dos equipamentos da minirrede na comunidade La Ceiba. ... 107 Figura 57 – Prosposta de gestão para uma minirrede localizada numa região rural. ... 111
LISTA DE QUADROS
Quadro 1- Técnicas de pesquisa a serem utilizadas. ... 7 Quadro 2 – Influência da energia elétrica nos outros componentes. ... 13 Quadro 3 – Cobertura de energia elétrica dos países que conformam 72% da
população da América Latina em 2010. ... 15 Quadro 4 – Principais tecnologias eletroquímicas: Tensão das células, temperatura de operação e observações. ... 30 Quadro 5 – Projetos CIT instalados até 2011... 55 Quadro 6 – Sistemas fotovoltaicos instalados por meio do projeto de eletrificação para escolas rurais. ... 56 Quadro 7- Municípios e Corregimentos departamentais dos Municípios de
Amazonas, Guainia e Vichada. ... 69 Quadro 8- Indicadores de educação, saúde e mercado laboral para os
departamentos de Amazonas e Guainia. ... 70 Quadro 9 – Relação entre variáveis a pesquisar e entrevistados. ... 74 Quadro 10 – Objetivos de cada uma das variáveis para a formulação das guias de entrevistas. ... 75 Quadro 11 – Consumo dos equipamentos a serem alimentados pela minirrede fotovoltaica. ... 98 Quadro 12 – Quadro de cargas utilizado para o dimensionamento dos dois sistemas fotovoltaicos dentro da minirrede fotovoltaica ... 98
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Déficit regional de moradias na América Latina e o Caribe, 2009. ... 19
Tabela 2 – Índice de Cobertura de Energia Elétrica (ICEE) nas zonas Urbanas e Rurais e usuários totais nas ZNI ... 41
Tabela 3- Irradiações médias diárias anuais dos departamentos das ZNI ... 65
Tabela 4 – Participação percentual em nível nacional em 2012 dos departamentos que contêm ZNI. ... 66
Tabela 5 – Número de moradias sem serviço de energia elétrica, pertencentes às ZNI ... 67
Tabela 6- Indicadores dos cinco departamentos a serem pesquisados culturalmente ... 68
Tabela 7- Incidentes causados pelo conflito armado na Colômbia ... 68
Tabela 8 – Irradiação solar no plano inclinado (10º) para a coordenada 3,6ºN, 67,8ºW ... 100
Tabela 9 – Dados de entrada para o dimensionamento do painel fotovoltaico e do banco de baterias da minirrede. ... 100
Tabela 10 – Resultados do dimensionamento do painel fotovoltaico e do banco de baterias da minirrede. ... 101
Tabela 11 – Especificações técnicas do módulo solar a ser utilizado na minirrede. ... 101
Tabela 12 – Especificações técnicas da bateria a ser utilizada no banco de baterias da minirrede. ... 102
Tabela 13 – Especificações técnicas do Sunny Island Charger ... 104
Tabela 14 – Especificações técnicas do painel fotovoltaico destinado às cargas de produção ... 104
Tabela 15 – Especificações técnicas Sunny Boy 3800-US ... 105
Tabela 16 - Especificações técnicas do painel fotovoltaico destinado às residências ... 105
Tabela 17 – Especificações técnicas Sunny Island 6048-US ... 106
Tabela 18 – Dimensionamento de condutores em CC ... 107
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
BID Banco Interamericano de Desenvolvimento
CAFAZNI Comitê Administrativo do Fundo de Apoio Financeiro para as Zonas Não Interconectadas da Colômbia
CA Corrente Alternada
CC Corrente contínua
CINER Centro de Pesquisa de Energias Renováveis para os “Llanos orientales”
CIT Centros de Inovação Tecnológica
COLCIENCIAS Departamento Administrativo de Ciência, Tecnologia e Inovação da Colômbia
CORPORINOQUIA Corporação Autónoma Regional de Orinoquia
CREG Comissão de Regulação de Energia e Gás
DANE Departamento Nacional de Estatísticas da Colômbia
DNP Departamento Nacional de Planejamento
EMELCE Empresa de Energia Elétrica de Guainia La Ceiba
FAER Fundo de Apoio Financeiro para a Energização das Zonas Rurais
FAZNI Fundo de Apoio Financeiro para as Zonas Não Interconectadas
da Colômbia
FENOGE Fundo de Energias não Convencionais e Gestão Eficiente da Energia
FNCE Fontes Não Convencionais de Energia Elétrica
FOES Fundo de Energia Social
FSSRR Fundo de Solidariedade para Subsídios e Redistribuição de Renda
GENSA Gestão Energética S.A
ICAA Iniciativa para a Consevação da Amazônia Andina
ICEE Índice de Cobertura de Energia Elétrica
IAN Instituto de Assuntos Nucleares
INEA Instituto de Ciências Nucleares e Energias Alternativas INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais do Brasil
IPSE Instituto de Promoção e Soluções Energéticas para as Aonas Não Interconectadas.
IVA Imposto de Valor Agregado
LABSOL Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul
LABSOLAR Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Cataria do Brasil
MINMINAS Ministério de Minas e Energia da Colômbia
MPPT Rastreamento de Ponto Máximo de Potência (Siglas em inglês)
NREL Laboratório Nacional de Energias Renováveis do
Departamento de Energia dos Estados Unidos
OCHA Escritório das Naciones Unidas para a Coordenação de
Assuntos Humanitários na Colômbia
PCU Unidade Condicionadora de Potência
PIB Produto Interno Bruto
PIEC Plano Indicativo de Expansão de Cobertura de Energia Elétrica
PMP Ponto de Máxima Potência
PND Plano Nacional de Desenvolvimento
PWM Modulação de Largura de Pulso (Siglas em inglês)
SENA Serviço Nacional de Aprendizagem
SFD Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares
SFVHM Sistema Solar Fotovoltaico Híbrido em Minirrede
SFVI Sistema Fotovoltaico Isolado
SIN Sistema Interconectado Nacional
SWERA Solar and Wind Energy Resource Assesment.
UPME Unidade de Planejamento Mineiro- Energético
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 2 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 2 1.3 HIPÓTESES ... 2 1.4 OBJETIVOS ... 3 1.4.1 Objetivo geral ... 3 1.4.2 Objetivos específicos ... 3 1.5 JUSTIFICATIVA ... 3 1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 4 1.6.1 Método de abordagem ... 4 1.6.2 Método de procedimento ... 5 1.6.3 Técnicas de pesquisa ... 6 1.6.4 Delimitação do universo ... 7 1.6.5 Tipo de amostragem ... 7 1.7 REFERENCIAL TEÓRICO ... 8 1.8 ESTRUTURA ... 8 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 10 2.1 A SUSTENTABILIDADE ... 10
2.2 A NECESSIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA ... 11
2.2.1 A relação entre energia elétrica e desenvolvimento econômico ... 12
2.2.2 A disponibilidade de energia elétrica na América Latina ... 14
2.3 CONTRUÇÃO SUSTENTÁVEL ... 15
2.3.1 Construção bioclimática e conforto térmico ... 17
2.3.2 Construções nas zonas rurais da América Latina ... 17
2.4 SUSTENTABILIDADE DA ELETRIFICAÇÃO RURAL ... 19
2.5 A RADIAÇÃO SOLAR ... 21 2.5.1 A Irradiância ... 21 2.5.2 A Irradiação ... 21 2.6 A CÉLULA FOTOVOLTAICA ... 21 2.6.1 Silicio monocristalino ... 22 2.6.2 Silicio policristalino ... 23 2.6.3 Filme fino ... 23
2.7 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS (SFVI) ... 24
2.7.2 Sistemas Isolados em minirrede ... 25
2.8 COMPONENTES DE UM SFVI ... 25
2.8.1 Módulos e painéis solares fotovoltaicos ... 26
2.8.2 Regulador ou controlador ... 28
2.8.3 Bateria ... 29
2.8.4 Inversor ... 30
2.8.5 Proteções elétricas ... 32
2.9 MINIRREDES BASEADAS EM SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS ... 32
2.10 SUSTENTABILIDADE DE MINIRREDES FOTOVOLTAICAS ISOLADAS ... 34
2.10.1 Parte técnica ... 34
2.10.2 Parte social ... 36
2.10.3 Parte ambiental ... 37
2.11 VISITA EM UMA MINIRREDE DE GUARAQUEÇABA ... 37
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 39
3.1 PESQUISA DOCUMENTAL GERAL DA COLÔMBIA ... 39
3.1.1 A divisão político – administrativa da Colômbia ... 39
3.1.2 Aspectos socioeconomicos da Colômbia ... 40
3.2 A ENERGIA ELÉTRICA NA COLÔMBIA ... 41
3.2.1 Zonas Não Interconectadas da Colômbia (ZNI) ... 42
3.3 CONTRUÇÕES NAS ÁREAS RURAIS DA COLÔMBIA ... 47
3.3.1 Regiões da Colômbia ... 47
3.3.2 Arquitetura das regiões rurais da Colômbia ... 50
3.4 SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS ISOLADOS NA COLÔMBIA ... 54
3.4.1 Sistemas solares fotovoltaicos na Colômbia até 1996 ... 54
3.4.2 Centros de Inovação Tecnológica (CIT) ... 55
3.4.3 Projeto de eletrificação para escolas rurais de 2012 ... 55
3.4.4 Outros projetos de energia solar fotovoltaica na Colômbia ... 56
3.5 MINIRREDE FOTOVOLTAICA LOCALIZADA EM TITUMATE ... 57
3.6 LEGISLAÇÃO RELACIONADA COM ENERGIAS RENOVÁVEIS NA COLÔMBIA 58 3.6.1 Lei 1715 de 2014 ... 58
3.7 FUNDOS QUE APOIAM A IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS NA COLÔMBIA ... 60
3.7.1 Fundo de Apoio Financeiro para Zonas Não Interconectadas (FAZNI) ... 60
3.7.2 Fundo de Apoio Financeiro para a Energização das Zonas Rurais (FAER) ... 60 3.7.3 Fundo de Solidariedade para Subsídios e Redistribuição de Renda (FSSRR) . 61
3.7.4 Fundo de Energia Social (FOES) ... 61
3.8 DEPARTAMENTOS QUE CONTÉM ZNI ... 61
3.8.1 Departamentos que contém ZNI ... 62
3.8.2 Irradiação solar por departamentos ... 63
3.8.3 PIB por departamentos ... 65
3.8.4 Número de moradias nas ZNI sem serviço de Energia Elétrica ... 66
3.9 MÉTODO PARA FILTRAR CINCO DEPARTAMENTOS DAS ZNI ... 67
3.10 ESCOLHA DA REGIÃO ONDE SE DESENVOLVERIA A PESQUISA DE CAMPO ... 68
3.11 PESQUISA DOCUMENTAL DO MUNICIPIO DE INÍRIDA-GUAINIA ... 70
3.11.1 Dados geográficos ... 72
3.11.2 Situação socioeconomica ... 72
3.11.3 Energia elétrica no município ... 72
3.12 PESQUISA SURVEY ... 73
3.12.1 Entrevistas focalizadas não estruturadas ... 73
3.12.2 Observação sistemática ... 75
3.13 DIMENSIONAMENTO DA MINIRREDE NA COMUNIDADE LA CEIBA ... 76
3.13.1 Determinação da potência dos módulos solares fotovoltaicos ... 77
3.13.2 Dimensionamento de banco de baterias ... 78
3.13.3 Determinação dos inversores e controladores de carga ... 79
3.13.4 Dimensionamento dos condutores ... 80
4 RESULTADOS ... 81
4.1 ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DE DADOS DA PESQUISA SURVEY ... 81
4.1.1 Cultura da população ... 81
4.1.2 Setores de produção econômica ... 83
4.1.3 Saúde e educação ... 86
4.1.4 Eficiência energética nas edificações ... 88
4.1.5 Falhas mais comuns em sistemas solares fotovoltaicos ... 89
4.1.6 Disponibilidade de mão de obra para a implantação da minirrede ... 93
4.1.7 Incentivos econômicos para a implantação da minirrede ... 94
4.1.8 Sistema de gestão da minirrede ... 95
4.2 DIMENSIONAMENTO DA MINIRREDE FOTOVOLTAICA LOCALIZADA NA COMUNIDADE LA CEIBA... 96
4.2.1 Definição do quadro de previsão de cargas ... 97
4.2.2 Identificação dos dados de irradiação solar média mensal ... 99
4.2.4 Determinação dos inversores e dos controladores ... 102
4.2.5 Dimensionamento dos condutores... 107
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 109
REFERÊNCIAS ... 114
1 INTRODUÇÃO
Segundo Maslow, na sua teoria da motivação humana, o homem precisa satisfazer as suas necessidades básicas fisiológicas e, depois disto, satisfazer as necessidades de segurança. E assim por diante. Algumas destas necessidades estão relacionadas à energia elétrica devido às facilidades que este serviço pode oferecer, tais como iluminação ou refrigeração. Estudos afirmam que o fato das comunidades não contarem com energia elétrica disponível está diretamente relacionado com a pobreza de uma região (KANAGAWA; NAKATA, 2007). Mas além de eletrificar estas localidades, é importante utilizar meios que promovam o uso de energia elétrica (DARKWALE et al., 2011). Um dos fatores que afeta em maior parte a eficiência energética de uma residência é a construção civil, que, por não contar com uma arquitetura bioclimática ou não utilizar materiais apropriados, não gera conforto térmico para o homem no seu interior, provocando assim o uso de equipamentos de ar condicionado ou de calefação.
Devido ao grande número de moradias que não contam com eletricidade, é necessário propor uma solução que supra de energia elétrica a um conjunto de edificações isoladas. Nesta pesquisa foi selecionada uma região dentro das Zonas Não Interconectadas (ZNI) à rede elétrica da Colômbia com maior potencial solar, menor Produto Interno Bruto (PIB) e menores índices de educação e de saúde, com a finalidade de propor diretrizes de implantação e gestão para uma minirrede fotovoltaica, atentando ao tipo de arquitetura e cultura da sociedade que habita na região. Esta pesquisa poderá demonstrar a importância de abordar este problema de uma forma interdisciplinar e sistemática, pois, como esta nova tecnologia deve ser aceita pelo usuário, é necessário estudar as diferentes relações entre os componentes de um sistema como um todo e a influência que exercem umas variáveis sobre as outras.
1.1 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Sustentabilidade, nos aspectos técnico e social, de uma minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos, localizada em uma comunidade indígena pertencente às ZNI da Colômbia.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Quais são as diretrizes para garantir a sustentabilidade técnica e social de uma minirrede de sistemas fotovoltaicos em uma região isolada da Colômbia?
1.3 HIPÓTESES
Para o desenvolvimento desta pesquisa foram definidas as seguintes hipóteses: 1. A população não aceitará a sua minirrede se esta não for amigável com a
cultura da região;
2. A minirrede supre as necessidades de saúde, educação e renda da sua população aumentando a disponibilidade de centros de saúde, escolas e centros de produção;
3. Se as edificações da região forem energeticamente eficientes, o consumo das cargas que alimentam a minirrede de sistemas solares fotovoltaicos será baixo;
4. Se o recurso de irradiância solar não for suficiente não poderá ser gerada a energia elétrica suficiente para abastecer a carga das edificações da região;
5. É indispensável ter disponibilidade de mão de obra qualificada para a implantação, operação e manutenção da minirrede, assim como disponibilidade de produtos no mercado para a sustentabilidade do projeto; 6. Se não existir um sistema de gestão e incentivos econômicos por parte das
entidades públicas, a sustentabilidade de uma minirrede de sistemas fotovoltaicos não será garantida.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo geral
Definir as diretrizes que garantam a sustentabilidade técnica e social de uma minirrede isolada, baseada em sistemas solares fotovoltaicos, instalada em uma comunidade localizada dentro das Zonas Não Interconectadas (ZNI) da Colômbia.
1.4.2 Objetivos específicos
1. Escolher uma região localizada dentro das ZNI da Colômbia para o desenvolvimento do projeto;
2. Propor atividades econômicas que aumentem a produtividade da região escolhida, segundo as necessidades culturais;
3. Identificar as melhoras possíveis para uma construção de menor impacto ambiental e maior eficiência energética segundo os padrões construtivos das edificações na região escolhida;
4. Conhecer os aspectos culturais que influenciam no bom funcionamento da minirrede.
5. Propor o dimensionamento de uma minirrede isolada baseada em sistemas solares fotovoltaicos na região escolhida, segundo as suas necessidades; 6. Determinar um plano de gestão da minirrede com as diretrizes que
asseguram sua sustentabilidade.
1.5 JUSTIFICATIVA
A energia elétrica é um serviço primordial para satisfazer as necessidades fisiológicas e de segurança de uma pessoa. Além disto, há outros benefícios como: o acesso à comunicação, educação e oportunidades econômicas e melhores serviços de saúde (SANGHVI; BARNES, 2001). Portanto, é importante notar que a energia elétrica é um componente de um sistema que infuencia o desenvolvimento de outros componentes, tais como renda, educação, saúde e meio ambiente (KANAGAWA; NAKATA, 2007). Segundo o Plano Indicativo de Expansão de Cobertura de Energia Elétrica 2013-2017, apresentado pela Unidade de Planejamento Mineiro-Energético (UPME), o número de usuários de energia elétrica
na Colômbia é de 11.573.027, dos quais 9.162.045 pertencem às zonas urbanas e 2.410.982 às rurais. Os índices de cobertura de energia elétrica são de 99,35% e 83,39% respetivamente. Isto significa que o índice de cobertura de energia elétrica na Colômbia é de 95,54% e que 4,46%, que equivale a 204.550 usuários, não contam com energia elétrica.
O tema de pesquisa desta dissertação foi escolhido com a finalidade de encontrar as diretrizes que fariam de uma minirrede, baseada em sistemas solares fotovoltaicos, um projeto sustentável para garantir o fornecimento de energia elétrica a uma das regiões da Colômbia que mais precisa dos benefícios deste serviço. Além disto, segundo a experiência laboral da autora na Colômbia, o mercado da energia solar fotovoltaica era maior para as construções energeticamente eficientes, mas houve pessoas que mostraram receio em relação aos sistemas solares fotovoltaicos devido às más experiências relacionadas com esta tecnologia no passado.
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
1.6.1 Método de abordagem
O Método de abordagem da pesquisa na etapa técnica será hipotético-dedutivo. Este está dividido em cinco etapas (BUNGUE apud LAKATOS; MARCONI, 2003):
Colocação do problema: nesta etapa se formula um problema, a partir de fatos relevantes em relação a algum aspecto, com probabilidade de ser solucionado;
Construção de um modelo teórico: são selecionados os fatores pertinentes para a formulação das hipóteses centrais e das suposições auxiliares;
Dedução de consequências particulares: procura de suportes racionais ou empíricos. Os suportes racionais são aqueles que possam ser verificados e os suportes empíricos são aqueles baseados no modelo teórico e em dados empíricos;
Teste das hipóteses: planejamento e execusão do método para pôr à prova as predições, elaboração, análise e interpretação dos dados obtidos;
Adição ou introdução das conclusões na teoria: comparação das conclusões com as predições, reajuste do modelo, caso seja necessário, e sugestões para trabalhos posteriores.
1.6.2 Método de procedimento
Segundo Lakatos e Marconi (2003), os métodos de procedimento são uma etapa da pesquisa na qual se concreta o estudo do problema. Nesta pesquisa utilizaram-se dois métodos de procedimento em conjunto.
Primeiro foi definido que a pesquisa utilizaria um método de procedimento monográfico (ou também chamado de estudo de caso), devido ao fato de que neste trabalho escolheu-se uma ZNI da Colômbia com base em critérios que a determinaram como uma região representativa entre as ZNI da Colômbia. Neste tipo de procedimento deve-se examinar e analisar o problema tendo em conta todos os seus aspectos e os fatores que o influenciam (LAKATOS; MARCONI, 2003). Para examinar e analisar o problema desta forma foi utilizado o método de procedimento sistêmico, dado que o objeto de estudo é um sistema (Figura 1). A partir das variáveis identificadas nas hipóteses, foram definidos os subsistemas, os componentes e a influência existente entre eles.
Figura 1- Sistema da pesquisa. Fonte: Autoria própria.
A pesquisa tem como objetivo o estudo da minirrede da ZNI definida, que é composta por cinco subsistemas. A sustentabilidade técnica e social desta minirrede dependerá do correto funcionamento do sistema apresentado na Figura 1. Sendo que os Subsistemas e as suas variáveis são:
População: tem como componentes os usuários residenciais, os usuários de órgãos de serviços públicos (educação e saúde) e os usuários no setor de produção. As variáveis de importância neste grupo são: cultura, saúde, educação e setores de produção econômica da região;
Edificações: tem como componentes a arquitetura bioclimática e os materiais de construção. A variável de importância neste grupo é a eficiência energética da edificação;
Sistemas fotovoltaicos: tem como componentes o painel solar, o controlador, as baterias e o inversor. As variáveis de importância neste subsistema são o recurso solar disponível, a geração de energia elétrica e as falhas técnicas mais comuns;
Setor privado: tem como componentes as concessionárias e os fornecedores de equipamentos e serviços fotovoltaicos. As variáveis de importância neste sistema são a mão de obra, os produtos e os serviços disponíveis para a implantação da minirrede;
Setor público: tem como componentes os órgãos públicos que influenciam a instalação de uma minirrede. Estes são: a Unidade de Planejamento Mineiro- Energética (UPME), O Instituto de Planejamento e Soluções Energéticas para as Zonas Não Interconectadas (IPSE), o Ministério de Minas e Energia (MINMINAS), a Prefeitura e o Governo departamental da região selecionada. As variáveis de pesquisa neste sistema são os incentivos econômicos para a instalação de minirredes fotovoltaicas e o sistema de gestão da minirrede fotovoltaica (implantação, operação e manutenção).
1.6.3 Técnicas de pesquisa
As variáveis identificadas no item anterior serão analisadas com as técnicas de pesquisa apresentadas no Quadro 1.
Variável Técnica de pesquisa utilizada Entrevistado(s)
Cultura da população Pesquisa bibliográfica, documental e entrevistas focalizadas não estruturadas.
Futuros usuários Setores de produção econômica Pesquisa bibliográfica, documental e
observação sistemática.
Futuros usuários Saúde e educação Pesquisa documental e entrevistas
focalizadas não estruturadas.
Futuros usuários Eficiência energética nas
edificações
Observação sistemática e entrevistas focalizadas não estruturadas.
Futuros usuários Recurso solar disponível Pesquisa documental. Não aplica Geração de energia elétrica da
minirrede Simulação.
Não aplica Falhas mais comuns em sistemas
solares fotovoltaicos
Pesquisa documental e entrevistas focalizadas não estruturadas.
Futuros usuários e entidades privadas e públicas
Disponibilidade de mão de obra para a implantação, operação e manutenção da minirrede
Pesquisa documental e entrevista focalizada não estruturada.
Futuros usuários e entidades privadas e públicas
Incentivos econômicos para a implatação da minirrede
Pesquisa documental e entrevistas focalizadas não estruturadas.
Entidades privadas e públicas Sistema de gestão da minirrede Entrevistas focalizadas não estruturadas. Futuros usuários e entidades
privadas e públicas
Quadro 1- Técnicas de pesquisa a serem utilizadas. Fonte: Autoria própria.
1.6.4 Delimitação do universo
A região da Colômbia pesquisada foi escolhida por meio de uma pesquisa documental prévia. O objetivo foi encontrar uma região que fizesse parte das ZNI, com alto recurso solar, baixo PIB, baixo índice de saúde e de educação e poucos atentados gerados pelo conflito armado da Colômbia. Tudo isso em relação às outras regiões da Colômbia. Estes índices foram selecionados com a finalidade de que a região selecionada fosse representativa entre a maioria das regiões isoladas da Colômbia.
1.6.5 Tipo de amostragem
O tipo de amostragem na primeira parte desta pesquisa foi não probabilístico. A amostragem para o levantamento de dados da cultura da população foi feita por conglomerados. Isto significa que foram escolhidos os principais agentes dos setores: residencial, produção, de saúde e educação. A amostragem dos
usuários foi não probabilística também, pois a amostra de cada setor foi selecionada por acessibilidade.
1.7 REFERENCIAL TEÓRICO
A revisão da literatura contém uma pequena introdução à sustentabilidade para depois apresentar a importância da energia elétrica para o homem e a influência da construção sustentável sobre esta. Depois são apresentados os princípios de energia solar fotovoltaica, assim como aspectos técnicos de minirredes baseadas em sistemas solares fotovoltaicos. Finalmente, é explicada a sustentabilidade de uma minirrede e é apresentado um exemplo de configuração técnica de uma minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos.
1.8 ESTRUTURA
Capítulo 1: Introdução – Na primeira parte deste capítulo, apresenta-se uma contextualização do problema de pesquisa para depois mostrar o objetivo e objetivos específicos da mesma. A Justificativa, método de abordagem, método de procedimento e referencial teórico da pesquisa também são apresentados neste capítulo;
Capítulo 2: Revisão da literatura – A revisão bibliográfica começará mostrando fontes que apresentam a necessidade da energia elétrica para o homem e a relação que tem a cobertura da mesma sobre o desenvolvimento de uma sociedade. Apresenta-se também a relação entre a construção civil e a eficiência energética, abordando temas como conforto térmico e arquitetura bioclimática. Por outro lado, são abordados temas técnicos relacionados com os princípios de sistemas solares fotovoltaicos e sustentabilidade de minirrede;
Capítulo 3: Material e métodos – A primeira parte deste capítulo trata de uma contextualização ao leitor sobre a situação atual da Colômbia em relação aos sistemas solares fotovoltaicos. Depois são apresentados os métodos para escolher uma região isolada da Colômbia para depois prosseguir com a apresentação dos métodos utilizados na pesquisa de campo. Neste capítulo também se apresenta o método para fazer o
dimensionamento da minirrede baseada em sistemas solares fotovoltaicos;
Capítulo 4: Resultados – Este capítulo apresenta a análise e interpretação da pesquisa de campo segundo variável pesquisada. Também se apresenta uma possível proposta de dimensionamento de minirrede.
Capítulo 5: Consideraçãoes finais – Neste capítulo são apresentadas as conclusões deste trabalho e a proposta de gestão da minirrede.
2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 A SUSTENTABILIDADE
A conferência sobre Human Environment das Nações Unidas, em Estocolmo, Suécia, em 1972, foi a primeira conferência mundial sobre meio ambiente e desenvolvimento (HARDING, 2006). A partir desta conferência evoluiu o conceito de sustentabilidade, ao apresentar indicadores que mostraram que o desenvolvimento econômico devia mudar, e introduziu-se o conceito de “educação ambiental”. Nessa mesma década, em 1979, Ernest F. Shumacher publicou seu famoso livro, Small is beautiful, na qual o autor faz uma crítica aos sistemas sobreorganizados, chamando-os de “destroyers” do espírito humano. Ele também mostra a preocupação pela utilização descontrolada dos recursos naturais e introduz o conceito de tecnologia intermediária ou apropriada (MEBRATU, 1998). O termo de tecnologia apropriada significa que esta é superior à tecnologia primitiva de anos passados, mas que é muito mais simples e barata do que as tecnologias utilizadas pelas pessoas de altos recursos. Esta tecnologia devia gerar empregos com uma pequena fração do capital investido em países desenvolvidos, mas continuaria incrementando a produção assim como as tecnologias tradicionais destes países. Porém, como a tecnologia tradicional muda de uma região a outra, o que é chamado de tecnologia apropriada em uma região pode ser tecnologia tradicional em outra região (HOLLICK, 1982).
Em 1987, apareceu pela primeira vez o termo “desenvolvimento sustentável”, adaptado oficialmente no relatório das Nações Unidas chamado de “Nosso Futuro em Comum”, desenvolvido pela primeira ministra de Noruega, Gro Harlem Brundtland. Neste informe o termo “desenvolvimento sustentável” é definido como aquele que satisfaz as necessidades do presente sem comprometer as necessidades das futuras gerações (MITCHAM, 1995). Com este novo conceito, construiu-se uma ponte entre os defensores da ideia de crescimento econômico e os defensores da proteção do meio ambiente (HARDING, 2006).
Por outro lado, Ignacy Sachs introduziu, em 1999, os conceitos de “desenvolvimento social” e “desenvolvimento cultural”. No conceito de desenvolvimento social ele inclui homogeneidade social, rendas equitativas, acessibilidade a bens, serviços e emprego. Quanto ao conceito de desenvolvimento
cultural, Sachs apresenta a importância de equilibrar as mudanças externas com a comunidade e seu desenvolvimento (VALLANCE et. al, 2011). Assim, os desenvolvimentos social e cultural devem ser ligados ao desenvolvimento tecnológico, aplicando conhecimentos interdisciplinares e estudos necessários para solucionar problemas sócio-ambientais. Porém, eles são pouco dinfundidos na maioria das instituições de ensino atuais (MOTLOCH; CASAGRANDE Jr, 2010).
2.2 A NECESSIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA
Segundo a Teoria da motivação humana de Abraham H. Maslow, “as necessidades humanas básicas se organizam em uma hierarquia de prepotência relativa” (Figura 2). Portanto, se as necessidades localizadas na base desta hierarquia não forem satisfeitas, as outras necessidades não surgirão.
Figura 2 - Hierarquia das necessidades básicas humanas. Fonte: Adaptado da Teoria da motivação humana de Maslow.
As necessidades fisiológicas, como comer e beber, estão acompanhadas pelas necessidades de refrigerar alimento e bombear água proveniente de poços profundos. Por outro lado, as necessidades de segurança- necessidades que surgem ao satisfazer as necessidades fisiológicas- estão acompanhadas pelas necessidades de iluminar o meio no qual o homem está inserido e de resfriar ou
aquecer o meio para se proteger das condições climáticas. Para desenvolver o conjunto de atividades mencionadas anteriormente, é essencial contar com energia elétrica, serviço que além de ser uma ferramenta primordial para satisfazer as necessidades fisiológicas e de segurança, tem os seguintes benefícios adicionais: o acesso à comunicação, educação e oportunidades econômicas e melhores serviços de saúde (SANGHVI; BARNES, 2001).
2.2.1 A relação entre energia elétrica e desenvolvimento econômico
Segundo Kanagawa;Nakata (2007), existe uma conexão intrínseca entre os componentes de desenvolvimento que relacionam a energia e a redução da pobreza (Figura 3). No Quadro 2 pode-se observar a influência que tem o componente da energia para o desenvolvimento dos outros componentes, tais como renda, educação, saúde e meio ambiente. Porém, este serviço não está disponível em todas as regiões do mundo.
Figura3 - Componentes da pobreza e suas conexões. Fonte: Kanagawa, M., Nakata, T., 2007. Traduzido pela autora.
E ne rgi a el étr ica Renda
Desenvolvimento empresarial por meio da eletrificação gera emprego;
Mecanização na indústria consegue maior produtividade.
Sistemas de energia de pequena escala em áreas rurais geram indústrias locais.
Educação
A iluminação permite estudar à noite;
A eletricidade permite aproveitar as Tecnologias de Informação e Comunicação.
Saúde
O acesso à eletricidade permite a vacinação e o armazenamento de medicamentos por meio da refrigeração.
Meio Ambiente
O uso de aplicações elétricas eficientes economiza o consumo de energia;
A aplicação de energias renováveis promove a proteção do meio ambiente.
Quadro2 – Influência da energia elétrica nos outros componentes. Fonte: Autoria própria, adaptado de Kanagawa, M., Nakata, T., 2007.
A relação mostrada na Figura 3 pode ser analizada observando o PIB de uma região antes e depois de contar com energia elétrica. O Brasil, por exemplo, é o país com maior área geográfica da América Latina. A região norte deste país representa 45,27% da sua área geográfica, sendo esta a maior entre as cinco regiões que compõem o Brasil. Por outro lado, a região Nordeste representa 18,26% da área total do país (MINISTERIO DAS RELAÇÕES EXTERIORES, 2001). As regiões norte e nordeste, no ano 2001, tinham uma cobertura elétrica de 88,6% e 89,4%, respetivamente, e PIB de 57.026 bilhões de reais e 157.302 bilhões de reais, respetivamente. No ano 2011, quando a cobertura elétrica da região norte aumentou para 96,2%, o seu PIB também aumentou para 223.538 bilhões de reais. Por outro lado, nesse mesmo ano, quando a cobertura elétrica da região nordeste aumentou para 98,8%, o seu PIB também aumentou para 555.325 bilhões de reais (Figura 4) (IBGE, 2014).
Figura 4 – Cobertura elétrica e PIB das regiões Norte e Nordeste do Brasil do ano 2001 a 2011. Fonte: Autoria Própria.
2.2.2 A disponibilidade de energia elétrica na América Latina
Em 2011, 1,3 bilhões de pessoas (20% da população global) não tiveram acesso à eletricidade, das quais 31 milhões (2,4% da população global) pertenciam a América Latina (IEA, 2011). Brasil, México, Agentina, Colômbia e Venezuela representam 72% da população total (Figura 5) e 82% do uso de energia elétrica da região de América Latina e o Caribe (SHEINBAUM-PARDO; RUIZ, 2012).
Figura 5 – Mapa de América Latina com os cinco países que representam 72% da população total. Fonte: Autoria própria.
O Quadro 3 apresenta a porcentagem da população que tem acesso à energia elétrica entre os cinco países que possuíam 72% da população total da América Latina em 2008. Neste quadro pode-se observar que a Colômbia, em 2010, teve a menor cobertura de energia elétrica comparada com os outros países.
País
Porcentagem da população com acesso à
energia elétrica Brasil 98,73% México 97,78% Argentina 96,00% Colômbia 95,41% Venezuela 98,42%
Quadro 3 – Cobertura de energia elétrica dos países que conformam 72% da população da América Latina em 2010.
Fonte: Autoria própria, adaptado de OLADE, 2012.
2.3 CONTRUÇÃO SUSTENTÁVEL
Segundo Goldsmith, et al. (1972) uma sociedade pode ser considerada sustentável quando os seus propósitos e intenções podem ser atendidos indefinidamente, fornecendo ótima satisfação para seus membros. Seguindo esta ordem de ideias, foi estabelecido que o desenvolvimento sustentável é a correlação entre o desenvolvimento do meio ambiente, da sociedade e da economia. Na bibliografia citada anteriormente foi exposta a influência da energia elétrica nos componentes que geram desenvolvimento socioeconomico e ambiental na humanidade, portanto a energia elétrica pode ser uma solução sustentável se os recursos para gerá-la não ameaçarem as gerações atuais e futuras. Segundo Ernst Friedrich Schumacher (2001),
É impossível escapar da energia. É impossível exagerar a importância da sua centralidade. Poderia se dizer que a energia é para o mundo mecânico o que a consciência é para o mundo humano. Se a energia falha, tudo falha. (SCHUMACHER, E. F, 2001)
Com o objetivo de gerar menor quantidade de energia elétrica e precisar de menos recursos para sua geração, é necessário fazer um uso eficiente da mesma.
Na Figura 6 pode-se observar que a energia elétrica consumida pelo setor residencial na América Latina em 2008 foi de 1000 TWh (aproximadamente 31% do consumo total de energia elétrica). Neste contexto, o setor residencial, gera grande impacto sobre o consumo de energia elétrica. Portanto, se faz necessário implantar medidas que favoreçam a eficiência energética neste setor.
Figura 6 – Uso da eletricidade por setor e por unidade de PIB na América Latina desde 1990 até 2008.
Fonte: IEA, 2010. Traduzido pela autora.
Com a finalidade de melhorar o desempenho da energia nas edificações, é necessário mudar alguns componentes e materiais de construção civil que têm uma energia incorporada na sua produção e transporte, além do uso e operação da edificação. Portanto, para conseguir fazer um estudo do total de energia economizada, é recomendável fazer uma avaliação do ciclo de vida da edificação (VERBEECK; HENS, 2010). Existem diferentes softwares utilizados como ferramentas para fazer a modelagem de uma edificação. Estes simuladores precisam de definições adequadas de dados, constantes e variáveis para avaliar a melhora da eficiência do sistema, aproveitamento da luz solar, desenho, materiais e o uso de recursos não convencionais (DARKWALE et al., 2011).
2.3.1 Construção bioclimática e conforto térmico
Atualmente, um dos equipamentos mais utilizados nas residências é o ar condicionado para resfriar ou aquecer um lugar com a finalidade de obter uma zona de conforto, que, segundo Givoni (1992), é a faixa de condições nas quais a maioria das pessoas não sente desconforto térmico, seja calor ou frio. Para evitar a utilização destes equipamentos, é de suma importância desenvolver projetos apropriados de construção para que a temperatura interior da edificação não se veja afetada negativamente pela temperatura externa.
O processo lógico seria trabalhar com as forças da natureza e não contra delas, aproveitando suas potencialidades para criar condições de vida adequadas. Aquelas estruturas, que em um entorno determinado, reduzem tensões desnecessárias aproveitando todos os recursos naturais que favorecem o conforto humano, podem ser chamadas de “climaticamente equilibradas”. (OLGYAY, 1963).
Os autores Olgyay e Givoni são autores reconhecidos pelos mapas e tabelas bioclimáticos que desenvolveram para obter zonas de conforto para o homem. Olgyay desenvolveu, para os ambientes externos, a chamada “Carta bioclimática”, que mostra a relação entre humidade relativa e temperatura e a “Tabela de tempo de Necessidades climáticas”, que mostra as medidas a se tomar, em uma tabela que relaciona as horas do dia e os meses do ano. Givoni, por outro lado, para os ambientes internos, desenvolveu a “Carta bioclimática para edificações” com a finalidade de prover soluções para obter condicionamento térmico passivo, ou seja, sem precisar de nenhum tipo de ar condicionado mecânico em ambientes internos de edificações (GIVONI, 1992).
Outro método conhecido para a análise climática é o método Mahoney, no qual basta dispor as normais climatológicas locais, anotá-las em planilhas e compará-las com limites de conforto indicados para cada tipo de clima (RORIZ et al., 1999).
2.3.2 Construções nas zonas rurais da América Latina
O Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID) fez o levantamento do déficit habitacional na América Latina (BID,2012). Este estudo mostra em porcentagens, o número de famílias por país que não contam com uma casa ou que
habitam em moradias de má qualidade (Figura 7). Destes dados, pode-se inferir que as construções que entram nesta proporção não contam com construções bioclimáticas nem com materiais que melhorem o conforto térmico da morada.
Figura 7 – Porcentagem total de famílias por país sem um teto para morar ou que moram em moradias de má qualidade.
Fonte: BID, 2012.
No estudo do BID também foi levantado o déficit quantitativo e qualitativo das moradias pertencentes às áreas rurais de América Latina. Na Tabela 1 pode-se observar que 17% das moradias localizadas nas áreas rurais de América Latina não contam com energia elétrica. Nesta, também se pode observar que 32% das construções das famílias na América Latina não contam com os materiais adequados para uma construção segura.
Tabela 1 – Déficit regional de moradias na América Latina e o Caribe, 2009. (Porcentagem de famílias)
Falhas habitacionais Nacional Urbano Rural
Déficit total 37 32 60 Déficit quantitativo 6 6 5 Casas adicionais 4 4 3 Moradias improvisadas 2 2 3 Déficit qualitativo 31 26 55 Materiais 12 7 32 Piso de terra 6 2 22 Telhado deficiente 3 2 6 Paredes deficientes 2 1 6 Superlotação 6 4 13 Infraestrutura 21 16 43 Sem electricidade 4 1 17 Sem saneamento 15 13 27
Sem água potável 9 6 20
Falta de regularização fundiária 11 11 15
Fonte: Autoria própria, adaptado de BID, 2012
2.4 SUSTENTABILIDADE DA ELETRIFICAÇÃO RURAL
Qualquer solução para promover o acesso de energia elétrica deve considerar vários aspectos como o técnico, econômico, governamental, sóciopolitico, ambiental, financeiro, etc. O aspecto técnico está focado em fatores como a confiabilidade e sustentabilidade do suprimento de energia, e nas capacidades de manufatura e operação da solução. O aspecto econômico está focado nos custos de instalação e o efeito econômico no desenvolvimento futuro do projeto. O aspecto governamental está focado na compatibilidade institucional com as soluções propostas, efetividade regulatória, financiamento institucional e ajustes institucionais necessários para a implantação de soluções. O aspecto sóciopolítico precisa considerar a aceitação social e vantagens de acessibilidade, igualdade, gênero, aceitação política, questões de renda causadas pela geração de energia e mudanças nos comportamentos para a utilização da energia elétrica. O aspecto ambiental inclui temas como os benefícios e efeitos adversos das soluções implantadas, sustentabilidade dos recursos e as implicações sociais dos efeitos ambientais (BHATTACHARYYA, 2011).
O objetivo de eletrificar um lugar sem serviço de energia elétrica é diferente para cada entidade dependendo das suas obrigações. Por exemplo, para o governo,
o objetivo pode ser promover o crescimento econômico e o desenvolvimento ou pode ser pré-requisito para a redução da pobreza e para atender os direitos básicos e sociais. Por outro lado, para empresas comerciais, o objetivo para eletrificar pode ser criar mercados para os serviços consequentes da eletricidade. Quando se trata de determinar o nível de sustentabilidade do desenvolvimento de um projeto, é possível assumir que é mais fácil avaliar um projeto tendo a dimensão comercial como objetivo principal, do que um projeto com a dimensão social, com o objetivo de servir como pré-requisito para a redução da pobreza. Isto se deve ao fato de que a segunda opção é mais complexa por levar em conta temas relacionados direta e indiretamente com as atividades da eletrificação (ILSKOG, 2008).
Figura 8 – Dimensões da sustentabilidade e suas variáveis. Fonte: ILSKOG (2008)
Segundo Ilskog (2008), para propor um projeto de eletrificação, é necessário fazer um estudo prévio interdisciplinar (Figura 8). Se a solução for projetada só
tendo em conta uma dimensão, provavelmente depois falhe devido à falta de estudo em outras dimensões. O autor propõe estudar uma solução envolvendo cinco dimensões da sustentabilidade: técnica, econômica, social/ética, ambiental e institucional.
2.5 A RADIAÇÃO SOLAR
A radiação solar que atinge a superfície horizontal do solo está composta pela radiação direta e a radiação difusa. A radiação direta corresponde aos raios de sol que chegam diretamente na superfície e a radiação difusa corresponde aos raios de sol que chegam indiretamente à superfície devido à poeira, nuvens ou outros possíveis objetos (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
2.5.1 A Irradiância
A irradiância é uma grandeza para quantificar a radiação solar. Esta expressada em W/m2 (Potência por área) (VILLALVA; GAZOLI, 2012). A potência solar por unidade de área e tempo radiante na camada acima da atmosfera é de 1367 W/m2 (denominada de constante solar). Em condições de céu claro a máxima irradiância medida na superfície terrestre é de 1000 W/m2 (ALDABÓ, 2002). Esta irradiância é utilizada como padrão na indústria fotovoltaica para a especificação e avaliação de células de módulos fotovoltaicos (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
2.5.2 A Irradiação
A irradiação, segundo Villalva e Gazoli (2012), é a grandeza utilizada para medir a energia solar incidente sobre uma área por um determinado tempo (Wh/m2), que expressa energia por área. Esta medida é útil para fazer dimensionamentos dos sistemas fotovoltaicos, pois pode definir o recurso solar disponível em uma região específica. Todos os mapas de irradiação solar disponíveis foram feitos a partir da sua consolidação em valores medidos (CEPEL; CRESESB; GTES, 1999).
2.6 A CÉLULA FOTOVOLTAICA
O efeito fotovoltaico foi descoberto pelo físico Edmund Becquerel em 1839 e aplicado na prática por Bell Laboratories em 1954. Este é o potencial elétrico
resultante da junção entre dois materiais similares, quando iluminados com radiação de fótons. A célula fotovoltaica, a partir deste princípio, converte a luz em energia elétrica (PATEL, 2006). O silício é um dos materiais mais comuns no mercado na produção de células fotovoltaicas. No interior da célula de silício existem duas camadas de impurezas: uma delas é dopada com um elemento com excesso de elétrons e a outra tende a absorver elétrons. O contato entre as duas camadas é chamado de Junção PN (ALDABÓ, 2002). A conexão em série ou paralelo entre as células fotovoltaicas formam um módulo e a conexão entre módulos fotovoltaicos conforma um painel (PATEL, 2006).
Atualmente existem diferentes tecnologias para fabricar as células e módulos fotovoltaicos. As mais comuns são as de silício monocristalino, de silício policristalino e de filme fino (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
2.6.1 Silicio monocristalino
É a célula feita a partir de um lingote constituído de uma estrutura cristalina única que possui uma organização molecular homogênea. Quando fatiado este lingote, o resultado são wafers, onde são formadas as camadas de silício P e N.
Figura 9 – Célula de silício monocristalino. Fonte: LFN Photovoltaics.
O aspecto deste tipo de célula é uniforme, normalmente azulado escuro ou preto (Figura 9). Estas células são as mais eficientes no mercado, pois sua eficiência varia entre 15% e 18%, mas têm um custo de produção mais elevado do que outros tipos de célula (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
2.6.2 Silicio policristalino
Esta célula é fabricada a partir de um lingote formado por um aglomerado de pequenos cristais, com tamanhos e orientações diferentes. Estas, em comparação com as células de silício monocristalino, têm aparência heterogênea e normalmente são encontradas na cor azul. As células de silício policristalino têm eficiências comerciais de 13% e 15% (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Figura 10 – Célula de silício policristalino. Fonte: Electronic Goldmine.
2.6.3 Filme fino
Esta é a tecnologia mais recente, que surgiu após as tecnologias cristalinas estarem bem desenvolvidas. Estes dispositivos não são fabricados a partir de lingotes como as tecnologias de silício monocristalino e policristalino, mas pela deposição de finas camadas de materiais sobre uma base que pode ser rígida ou flexível (VILLALVA; GAZOLI, 2012) (Figura 11).
Figura 11 – Módulo de filme fino flexível Fonte: Cleantech investor
A tecnologia de filmes finos está sendo desenvolvida para a geração de potência elétrica, principalmente, por apresentar baixos custos de produção devido à pouca quantidade de material necessário para sua produção. Porém, esta tecnologia está ainda na infância do seu desenvolvimento e, no momento, tem um rendimento ao redor de 7 a 10% para módulos comercialmente disponíveis. Isto significa que seria necessário aproximadamente o dobro da área que se precisaria com a utilização de módulos cristalinos (RÜTHER, 2004).
2.7 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ISOLADOS (SFVI)
Os sistemas isolados podem ser individuais ou em minirredes. Os individuais geram energia elétrica para atender uma única unidade consumidora, enquanto que a minirrede gera uma energia elétrica que é partilhada entre um grupo de unidades consumidoras que estão próximas umas das outras.
2.7.1 Sistemas Isolados Individuais
A electrificação com Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares (SFD) consiste no atendimento de domicílios individuais mediante energia solar. Os elementos que caracterizam um SFD são a própria carga, o gerador fotovoltaico e um acumulador, que permita dissociar o horário de consumo do horário da geração.
Para os SFDs podem ser adotadas basicamente três configurações: atendimento exclusivo em Corrente Contínua (CC), atendimento misto CC/CA e atendimento exclusivamente em Corrente Alternada (CA). O atendimento em CC é mais comum em países da África e da América do Sul, especialmente para sistemas de potência abaixo de 100Wp, contudo, cria limitações na utilização de eletrodomésticos convencionais. O atendimento misto CC/CA consiste em um circuito em corrente contínua, para iluminação e/ou refrigeração e um circuito em CA a partir de um inversor, para alimentação de TV e outras pequenas cargas em CA. Por último, o atendimento exclusivamente em CA em comparação ao atendimento exclusivamente em CC, utiliza cabeamento de menor diâmetro e equipamentos elétricos de maior disponibilidade no mercado, além de melhor qualidade e eficiência, tanto de controle quanto de consumo (GTES; CEPEL; DTE; CRESESB, 2014).
2.7.2 Sistemas Isolados em minirrede
Em algumas localidades isoladas no Brasil, utiliza-sesistemas com minirredes de distribuição para o fornecimento de eletricidade, onde a tecnologia mais utilizada é o gerador a diesel. No entanto, este tipo de sistema apresenta um alto custo operacional, em função da manutenção e do transporte do óleo diesel, uma vez que as unidades consumidoras estão afastadas dos centros urbanos. Outras desvantagens relacionadas aos grupos de geradores a diesel são de caráter socioambiental, pois pode haver vazamentos durante o transporte do óleo diesel, emissão de gases poluentes e produção de ruído.
Assim, a tecnologia de sistemas solares fotovoltaicos visa fornecer energia elétrica de forma confiável, e ao mesmo tempo, diminuir a dependência de recursos externos. O dimensionamento adequado tanto do sistema fotovoltaico, como do banco de baterias, deve ter como objetivo minimizar ou eliminar a utilização do grupo gerador a diesel e maximizar a vida útil do banco de baterias, diminuindo os custos de operação e manutenção do sistema (GTES; CEPEL; DTE; CRESESB, 2014). Posteriormente, serão apresentadas informações adicionais em relação às minirredes.
2.8 COMPONENTES DE UM SFVI
Como foi apresentado no ítem anterior, os SFVIs são aqueles que só utilizam a tecnologia fotovoltaica para a geração de energia elétrica. Os componentes de um SFVI para uso doméstico estão compostos por (COMISSÃO EUROPEIA, 1998):
Um painel fotovoltaico composto por um ou mais módulos fotovoltaicos; que estão interconectados para formar um gerador em CC;
Uma estrutura de suporte mecânica para o painel fotovoltaico; Uma bateria composta por várias células;
Um regulador ou controlador de carga para prevenir as excessivas descargas ou sobrecargas da bateria;
As cargas (lâmpadas, refrigerador, etc); O cabeamento (cabo, disjuntores e quadros).
